CN1881653A - 燃料电池密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案涉及一种燃料电池密封结构，其包括：第一导流板及第二导流板；一膜电极组，设置于该第一及第二导流板之间；其中，至少一导流板表面形成有凹槽并配以一密封垫圈；而另一导流板亦可形成相应凸起或另一凹槽并配以相应的另一垫圈。当第一导流板及第二导流板压紧夹持该膜电极组时，利用垫圈及凹槽相互作用形成密封。本发明提高了密封效果，结构简单，容易实现对准和安装。

Description

燃料电池密封结构

【技术领域】

本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池的密封结构。

【背景技术】

燃料电池是一种电化学发电装置，其将燃料及氧化剂转化为电能并产生反应产物。相对于碱性电池、锂电池等其它电池系统，燃料电池具有能量转换效率高、对环境污染小、适用广、无噪音及连续工作等优点，广泛应用于军事、国防及民用的电力、汽车、通信等多种领域。

燃料电池通常可分为碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池、以及质子交换膜燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池近年来发展迅速，越来越受到重视。通常，一个单独的质子交换膜燃料电池单元主要包括膜电极(MembraneElectrode Assembly，简称MEA)，导流板(Flow Field Plate，简称FFP)以及集流板(Current Collector Plate)等组成部分。

膜电极(MEA)亦称膜电极组，是电池单元的核心部件，燃料气体(氢气)及氧化剂(纯氧或含氧气的空气)在此发生电化学反应，释放电子并产生水。膜电极一般是由一张质子交换膜(Proton Exchange Membrane)、分别夹在质子交换膜的两表面的两片多孔性导电层(分别为阳极与阴极)组成。质子交换膜是由质子传导材料制成，现有技术中有采用例如全氟磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜、酚醛树脂磺酸型膜、碳氢化合物膜、高尔膜等作为质子交换膜。多孔性导电层一般是由导电材料制成，例如碳纸(Carbon Paper)，其至少一表面具有多孔结构的衬底，并在该多孔结构的衬底上形成有电催化层(Electrocatalyst Layer)。现有技术中，电催化层包含有电催化颗粒及质子传导颗粒的混合物，其中该电催化颗粒一般包含导电颗粒(典型为碳颗粒)及催化剂颗粒(贵金属，包括铂、金、钌或其合金等)。

导流板(FFP)亦称为流床板、隔板，一般是由导电材料制成，例如石墨、导电塑料、金属等材料。在每个电池单元中，膜电极(MEA)是夹在两块导流板中间，在每个导流板与膜电极相接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻等方法形成有一条或多条导流槽，该导流槽分别用于导引燃料气体、氧化剂或反应产物水。这些导流槽既可用作燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，同时用作带走燃料电池运行时产生的水的通道。实际应用时，为提高燃料电池总功率，多个燃料电池单元可通过叠加方式串联构成电池组，此时一块导流板的两表面均可形成有导流槽，分别用作一个膜电极的阳极导流面，以及另一个膜电极的阴极导流面，这种双面均有导流槽的导流板又可称为双极板。

集流板一般是导电材料制成，在一个电池单元中通常采用两块集流板分别夹在两块流道板未形成导流槽的另一表面。由于导流板本身亦具有导电性，所以，现有技术中亦有省略集流板的设计，直接以导流板兼作集流板之用。

以下对质子交换膜燃料电池的反应机理作简单描述。

质子交换膜燃料电池采用氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂。在阳极区，氢气在催化剂作用下发生催化化学反应产生氢正离子(质子)，并释放出电子；质子通过质子交换膜迁移至阴极区。在阴极区，氧气在与迁移过来的质子发生反应生成产物水。反应表达式如下：

阳极反应：

阴极反应：

在燃料电池运行过程中，阳极及阴极对应的导流板起到均匀分散氢气及氧气的作用，使得氢气及氧气可均匀分散于膜电极两表面，并分别在催化剂作用下发生催化反应。如上所述，为能使气体分散均匀，现有技术的导流板与膜电极接触的表面形成有至少一条导流槽。

为了确保燃料与氧化剂气体可以分布至整个膜电极两边表面上并且不会产生混和，膜电极两边的密封结构非常关键。如果密封不好，将会产生非常危险的后果：燃料气体与氧化剂气体在燃料电池内部发生混和，一旦发生爆炸，破坏力非常大；或者燃料气体与氧化剂气体泄露至燃料电池外部，这样会造成电池性能下降，随着泄露的气体越来越多，浓度累积到一定程度时亦会发生爆炸。

目前已有的密封技术有：

(一)胶密封：将导流板或双极板与膜电极利用密封胶粘接密封为一体。此密封技术组装方便，简单易行；但是，由于燃料电池运行时温度较高(一般为200至400度)，密封胶容易在高温环境中产生气泡或高温老化，从而使得密封失效。

(二)平板垫圈密封：如图1所示，现有技术的燃料电池10的主要结构包括膜电极11；两块导流板13，分别将膜电极11夹于其中；二块垫片12，分别夹于一导流板13与膜电极11之间；以及两块集电板14。各导流板13面对膜电极11的表面设有流道130以提供燃料气体或氧化剂气体流动、分散的通道，各流流板13与膜电极11之间的密封是通过垫片12来实现，各垫片12中央部分挖空形成开口121，其位置与流道130所在区域相应，其面积较流道130分布区域稍大而较整个导流板13面积稍小或相同。如前所述，膜电极11一般包括质子交换膜及两片多孔性导电层(如碳纸)，在此密封结构中，为防止二片多孔性导电层之间发生短路，质子交换膜的面积应大于多孔性导电层(图未示)。封装时，两块导流板以及垫片12将膜电极11紧夹于中间，二垫片12边框将露出外面的质子交换膜及多孔性导电层压紧，而流动于流道130的燃料气体及氧化剂气体仍可由垫片12的开口121扩散至膜电极，如此，利用两块垫片12的密封作用防止燃料气体或氧化剂气体泄漏。

但是，上述密封结构密封效果较差，例如当垫片12与导流板13的表面未能完全配合时，气体仍有可能由二者之间的间隙泄漏。另外，上述密封结构需两块垫片，使得其元件数量较多，结构复杂。

因此，提供一种可提高气密性、防止燃料气体泄漏，且结构简单的燃料电池密封结构实为必要。

【发明内容】

以下将通过若干实施例说明一种具有优良气密性、可防止燃料气体泄漏，且结构简单容易实现的燃料电池密封结构。

为实现上述内容，提供一种燃料电池密封结构，其包括：第一导流板及第二导流板；一膜电极组，设置于该第一及第二导流板之间；及一密封垫圈；其中，该第一导流板具有一面对该膜电极组的表面，该表面开设有与该密封垫圈相配的凹槽；当第一导流板及第二导流板压紧夹持该膜电极组时，该密封垫圈置于该凹槽内形成密封。

其中，该密封垫圈的厚度比该凹槽深度稍大；该密封垫圈是由绝缘弹性材料制成；该密封垫圈的形状与该凹槽相配。

另一实施例中，该膜电极组的边缘部分放置于该凹槽内；该密封垫圈设于该膜电极组的边缘部分外侧，从而将该边缘部分抵靠凹槽侧壁形成夹持。

再一实施例中，该第二导流板具有一面对膜电极组的表面，该表面进一步具有对应该凹槽的凸起；该凸起于封装时透过膜电极组将垫圈抵靠于该凹槽形成密封。

又一实施例中，该第二导流板面对该膜电极组的表面进一步开设有另一凹槽，以及进一步包括与该另一凹槽相配的另一密封垫圈。当第一导流板及第二导流板压紧夹持该膜电极组时，该密封垫圈及另一密封垫圈互相抵靠并夹持该膜电极组从而形成密封。

相对于现有技术，本技术方案的优点在于：由于至少一导流板表面开设有密封凹槽，并提供与之相配合的垫圈，当两导流板将膜电极组夹持于其中，则垫圈抵靠膜电极组提供弹性密封，从而提高密封效果；另一导流板亦可形成相应的凸起或另一凹槽并配以另一垫圈，可进一步提高密封效果；另外，本技术方案结构简单，容易实现。

【附图说明】

图1是现有技术之燃料电池密封结构的分解示意图。

图2是本发明第一实施例提供的密封结构分解示意图。

图3是本发明第一实施例密封结构的剖示图。

图4是本发明第二实施例密封结构的剖示图。

图5是本发明第三实施例密封结构的剖示图。

图6是本发明第四实施例密封结构的剖示图。

【具体实施方式】

以下结合图式以及具体实施方式详细说明本发明技术方案的内容。

请参阅图2及图3，本发明第一实施例的燃料电池密封结构20包括：膜电极组22，上导流板26及下导流板24将该膜电极组22夹于中间。其中，膜电极组22是燃料电池重要核心元件之一，发生电化学反应产生电能的场所。根据不同功能需要，膜电极组可有不同结构。一般而言，膜电极组22包括有质子交换膜及位于两侧的阴极电极与阳极电极。

上导流板26与下导流板24面对膜电极组22的内侧表面分别具有一条或多条导流槽243，以利于燃料气体或氧化剂气体均匀分布，另外亦可用于将反应产生的水导出。导流槽243分布的区域可称为导流床。一凹槽241围绕该导流床形成在下导流板24表面，如图3所示，凹槽241的截面为方形，当然，亦可为圆形、梯形等其它形状。上导流板26则并示形成有凹槽。该上导流板26及下导流板24可由石墨、金属或导电性复合材料制成。

密封结构20还包括一垫圈28，其具有与该凹槽241相配合的形状及尺寸。本实施例中，垫圈28具有方形截面，其高度较凹槽241的深度稍大。当然亦可采用其它截面形状的垫圈，如圆形、梯形等。该垫圈28采用绝缘材料，最好由耐热、弹性材料制成，以适应燃料电池的工作温度并能提供弹性，例如可采用聚胺脂、橡胶任何具有弹性且能适应燃料电池工作温度的绝缘材料等。

封装时，该垫圈28可置于该凹槽241内，并因其高度较凹槽241深度大，顶部稍有突出下导流板24的表面。膜电极组22则放置于下导流板24与上导流板26之间，当上导流板26与下导流板24夹紧时，垫圈28被挤压并发生弹性变形，垫圈28两侧分别抵靠于凹槽241与膜电极组22，并进而将膜电极组22抵靠于上导流板26形成夹持，从而可防止燃料气体或氧化剂气体由上导流板26或下导流板24内侧的导流槽243泄漏出来。相对于现有技术的密封方式，本实施例密封结构可节省元件，仅需一块密封垫圈即可，结构简单；垫圈与凹槽相互配合，容易对准、安装，而且密封效果好。

应当注意，上述仅描述燃料电池的膜电极组与导流板之间构成的密封结构，实际上应用时燃料电池还可包括其它元件，包括现有技术所描述的集电板，以及燃料/氧化剂输送系统等，在此不再赘述。

请参阅图4，本发明第二实施例的密封结构与第一实施例结构基本相同，主要包括：膜电极组22，上导流板26及下导流板24将该膜电极组22夹于中间。上导流板26与下导流板24面对膜电极组22的内侧表面分别具有一条或多条导流槽263及243，以利于燃料气体或氧化剂气体均匀分布，另外亦可用于将反应产生的水导出。导流槽243，263分布的区域可称为导流床。一凹槽241围绕该导流床形成在下导流板24表面，如图所示，凹槽241的截面为方形，当然，亦可为圆形、梯形等其它形状。该上导流板26及下导流板24可由石墨、金属或导电性复合材料制成。

密封结构还包括一垫圈28，其具有与该凹槽241相配合的形状，且其截面宽度较凹槽241宽度稍小或相同。本实施例中，垫圈28具有方形截面，其高度较凹槽241的深度稍大。当然亦可采用其它截面形状的垫圈，如圆形、梯形等。该垫圈28采用绝缘材料，最好由耐热、弹性材料制成，以适应燃料电池的工作温度并能提供弹性，例如可采用聚胺脂、橡胶任何具有弹性且能适应燃料电池工作温度的绝缘材料等。

封装时，膜电极组22的边缘部分221弯折伸入该凹槽241内，但其末端并未与下导流板24接触，以防止短路；垫圈28亦置于该凹槽241内并位于膜电极组22边缘部分221的外侧，其顶部较下导流板24表面稍有突出。膜电极组22中间主体部分则放置于下导流板24与上导流板26之间，当上导流板26与下导流板24夹紧时，上导流板26向凹槽241内挤压垫圈28，使垫圈28发生弹性变形从而将伸入凹槽241内的膜电极组22边缘部分221抵靠于凹槽241侧壁形成夹持，另外，垫圈28顶部与上导流板26形成抵靠，这样构成密封，从而可防止燃料气体或氧化剂气体由上导流板26或下导流板24内侧的导流槽243泄漏出来。

请参阅图5，本发明第三实施例的燃料电池密封结构主要包括：膜电极组32，上导流板36及下导流板34将该膜电极组32夹于中间。上导流板36与下导流板34面对膜电极组32的内侧表面分别具有一条或多条导流槽343，以利于燃料气体或氧化剂气体均匀分布，另外亦可用于将反应产生的水导出。导流槽343分布的区域可称为导流床。一凹槽341围绕该导流床形成在下导流板34表面，如图5所示，凹槽341的截面为方形，当然，亦可为圆形、梯形等其它形状。上导流板36对应该凹槽341位置形成有环绕导流床的凸起362，其对应该下导流板的凹槽341，并可具有相配合的形状及尺寸。该上导流板36及下导流板34可由石墨、金属或导电性复合材料制成。

密封结构还包括一垫圈38，其具有与该凹槽341相配合的形状及尺寸。本实施例中，垫圈38具有方形截面，其高度较凹槽341的深度大或相同。当然亦可采用其它截面形状的垫圈，如圆形、梯形等。该垫圈38采用绝缘材料，最好由耐热、弹性材料制成，以适应燃料电池的工作温度并能提供弹性，例如可采用聚胺脂、橡胶任何具有弹性且能适应燃料电池工作温度的绝缘材料等。

封装时，该垫圈38可置于该凹槽341内，其顶部与下导流板34表面平齐或稍有突出。膜电极组32则放置于下导流板34与上导流板36之间，当上导流板36与下导流板34夹紧时，上导流板36的凸起362挤压膜电极组32，并将垫圈38抵靠至凹槽341内使垫圈38发生弹性变形，通过凹槽341与垫圈38构成密封，从而可防止燃料气体或氧化剂气体由上导流板36或下导流板34内侧的导流槽343泄漏出来。

本实施例除具有可节省元件，结构简单，垫圈与凹槽容易配合，容易对准、安装等特点之外，其进一步采用凸起362可与垫圈38配合形成上导流板的密封，有利于进一步提高本实施例的密封性能。

请参阅图6，本发明第三实施例的密封结构主要包括：膜电极组22，上导流板26及下导流板24，二者可将该膜电极组22夹于中间。上导流板26与下导流板24面对膜电极组22的内侧表面分别具有一条或多条导流槽243。导流槽243分布的区域可称为导流床。一凹槽241围绕该导流床形成在下导流板24表面，如图所示，凹槽241的截面为方形，当然，亦可为圆形、梯形等其它形状。另外，相应的，上导流板26对应于凹槽241的位置亦具有凹槽261。该上导流板26及下导流板24可由石墨、金属或导电性复合材料制成。

密封结构还包括二环形的垫圈28及25，其分别具有与该凹槽241，261相配合的形状，且其截面宽度较凹槽241，261宽度稍小或相同。本实施例中，垫圈28，25具有方形截面，其高度较凹槽241，261的深度稍大。当然亦可采用其它截面形状的垫圈，如圆形、梯形等。该垫圈28，25采用绝缘材料，最好由耐热、弹性材料制成，以适应燃料电池的工作温度并能提供弹性，例如可采用聚胺脂、橡胶任何具有弹性且能适应燃料电池工作温度的绝缘材料等。

封装时，垫圈25，28分别置于凹槽261，241内，并稍微突出。膜电极组22放置于下导流板24与上导流板26之间，当上导流板26与下导流板24夹紧时，垫圈25与28互相抵靠、挤压发生弹性变形并夹持住膜电极组22，这样构成密封，从而可防止燃料气体或氧化剂气体由上导流板26或下导流板24内侧的导流槽243泄漏出来。

以上仅描述燃料电池组的主要部件，其它外围辅助元件(例如紧固装置、燃料传输设计等)可参考习知技术，在此不作详细描述。

Claims (10)

1.一种燃料电池密封结构，包括：第一导流板及第二导流板；一膜电极组，设置于该第一及第二导流板之间；及一密封垫圈；其特征在于，该第一导流板具有一面对该膜电极组的表面，该表面开设有与该密封垫圈相配的凹槽；当第一导流板及第二导流板压紧夹持该膜电极组时，该密封垫圈置于该凹槽内形成密封。

2.如权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征是，该密封垫圈的厚度比该凹槽深度稍大。

3.如权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征是，该密封垫圈是由绝缘弹性材料制成。

4.如权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征是，该密封垫圈的形状与该凹槽相配。

5.如权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征是，该膜电极组的边缘部分置于该凹槽内。

6.如权利要求5所述的燃料电池密封结构，其特征是，该密封垫圈设于该膜电极组的边缘部分外侧，从而将该边缘部分抵靠于凹槽侧壁形成夹持。

7.如权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征是，该第二导流板具有一面对膜电极组的表面，该表面进一步具有对应该凹槽的凸起。

8.如权利要求7所述的燃料电池密封结构，其特征是，该凸起于封装时透过膜电极组将垫圈抵靠于该凹槽形成密封。

9.如权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征是，该第二导流板面对该膜电极组的表面进一步开设有另一凹槽，以及进一步包括与该另一凹槽相配的另一密封垫圈。

10.如权利要求9所述的燃料电池密封结构，其特征是，当第一导流板及第二导流板压紧夹持该膜电极组时，该密封垫圈及另一密封垫圈互相抵靠并夹持该膜电极组从而形成密封。

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